Moalb'nin faz mühendisliğiyle MOB mbene-MOF nanokompozitlerine dönüştürülmesi: yüksek performansli elektrokatalizör üretimi için yenilikçi bir yaklaşim

Küresel enerji krizinin derinleşmesi ve fosil yakıt tüketiminin çevresel etkileri, temiz ve sürdürülebilir enerji kaynaklarına olan ihtiyacı önemli ölçüde artırmıştır. Bu bağlamda, hidrojen; yüksek kütle başına enerji yoğunluğu ve kullanım sırasında sıfır karbon salınımı sayesinde umut vadeden bir enerji taşıyıcısı olarak öne çıkmaktadır. Elektrokatalitik su ayrıştırması, hidrojen üretimi için çevre dostu ve verimli bir yöntem sunsa da, bu sürecin yaygın uygulaması, hem hidrojen (HER) hem de oksijen (OER) üretim reaksiyonlarını kolaylaştırabilecek yüksek performanslı ve ucuz elektrokatalizörlere olan gereksinim nedeniyle sınırlanmaktadır. Son yıllarda, iki boyutlu geçiş metali borürleri (MBene'ler), yüksek elektriksel iletkenlikleri, kimyasal kararlılıkları ve geniş yüzey alanları sayesinde yeni nesil elektrokatalizörler olarak dikkat çekmektedir. Bu tezde, HER reaksiyonu için yüksek verimli MBene tabanlı nanoyapılar tasarlamak amacıyla iki aşamalı bir strateji geliştirilmiştir. Tezin ilk bölümünde, üçlü geçiş metali borürleri (MAB fazı) ailesinin bir üyesi olan MoAlB kullanılarak Mo2AlB2'nin sentezi ve kimyasal karakterizasyonu araştırılmıştır. Bu çalışmanın temel amacı, bağ yapısı açısından MoB MBene için en uygun öncül faz olarak kabul edilen Mo2AlB2'yi elde etmeye yönelik yeni bir yöntem geliştirmektir. Ancak, Mo2AlB2 metastabil bir fazdır ve geleneksel katı hâl yöntemleriyle doğrudan sentezlenmesi mümkün değildir. Literatürde raporlanan mevcut teknikler genellikle yüksek sıcaklık, uzun süreli reaksiyonlar ve çok aşamalı işlem adımları gerektirmektedir. Bu sınırlamaların üstesinden gelmek için, daha verimli ve düşük sıcaklıkta gerçekleştirilebilen bir sentez yöntemi geliştirilmiştir. Reaksiyon, düşük sıcaklıkta NH4Cl'nin termal bozunması sonucu yerinde (in situ) üretilen HCl gazı kullanılarak 450 °C'de 2 saat boyunca gerçekleştirilmiştir. Bu yöntemle, yüksek saflıkta Mo2AlB2 tek adımda başarıyla elde edilmiştir. XRD, SEM, TEM, EDX, ICP-MS ve XPS teknikleri ile yapılan yapısal ve bileşimsel analizler, Mo2AlB2'nin başarıyla sentezlendiğini ve MoB MBene için uygun bir öncül olduğunu doğrulamıştır. Tezin ikinci bölümünde, MoAlB fazından MoB MBene üretimi için ZnCl2 Lewis asidi içeren ergimiş tuz aşındırma yöntemi kullanılmıştır. Elde edilen MBene, daha sonra nikel bazlı bir metal-organik kafes yapı (MOF) olan Ni-BDC ile birleştirilmiş ve farklı katkı oranlarında solvotermal yöntemle nikel köpük üzerine doğrudan kaplanmıştır. Bu çalışmanın amacı, Ni-BDC'nin yüksek yüzey alanı ve MoB MBene'in üstün elektriksel iletkenliğinden yararlanarak HER için aşırı potansiyeli azaltabilecek, iyi entegre olmuş arayüzeylere sahip bir nanokompozit üretmektir. 10 mA cm-2 akım yoğunluğunda, % 7,5 ağırlıkça MoB içeren nanokompozit 214 mV'luk bir aşırı potansiyel sergilemiştir. 400 °C'de tavlama sonrası oluşan nikel nanoparçacıkları yüzey alanını daha da artırmış ve aşırı potansiyel değeri 120 mV'a kadar düşmüştür. Ayrıca, yapılan kronopotansiyometrik analizler, optimize edilen katalizörün 50 mA cm-2 akım yoğunluğunda 50 saat boyunca kararlı performans gösterdiğini ortaya koymuş ve uzun vadeli dayanıklılığını kanıtlamıştır. Bu çalışma, MBene benzeri malzemeler için verimli bir sentez yolu sunmakta ve bunların MOF'larla birlikte hiyerarşik nanokompozitler içinde elektrokatalitik hidrojen üretimi amacıyla nasıl entegre edilebileceğini ortaya koymaktadır. Bulgular, yalnızca iki boyutlu borür malzemeleri için sentez araçlarını genişletmekle kalmamakta, aynı zamanda MBene-MOF mimarilerinin yeşil enerji uygulamaları için taşıdığı potansiyeli de ortaya çıkarmaktadır.